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O 19º cabeça de série saiu de um set decisivo extremamente apertado para vencer por 2-6, 6-3, 7-6 (7/5) e vai defrontar o também americano Sebastian Korda nos quartos de final.
Shelton, que perdeu para Novak Djokovic nos oitavos de final em Nova Iorque no mês passado, fez a sua já habitual celebração de "marcação" para assinalar a sua primeira passagem aos quartos de final de um Masters.
Korda, 26º cabeça de série, defendeu-se de uma reação tardia do argentino Francisco Cerundolo, 20º cabeça de série, para vencer por 7-5, 7-6 (8/6).
Shelton, que completou 21 anos na segunda-feira, teve um set de abertura tórrido contra o sexto cabeça de série Sinner, resumido pela sua dupla falta, ao conceder o sétimo jogo de um primeiro período repleto de erros.
O italiano Sinner, que acabara de ganhar o Open da China em Pequim, fechou o primeiro set com um golpe bem colocado.
O atlético Shelton mudou de atitude no segundo set, fechando-o com um ás e um rugido, e logo depois colocou Sinner sob pressão para iniciar a decisão.
Sinner, de 22 anos, sobreviveu ao ataque inicial, salvando cinco break points para selar um jogo que durou quase 10 minutos, e o set foi com saque para forçar um tiebreak.
Mas foi Shelton quem prevaleceu - e uma multidão que tinha estado do seu lado fez-lhe uma serenata, cantando os parabéns.
No início do dia, Fabian Marozsan conseguiu uma vitória surpreendente contra Casper Ruud.
Outro membro do top 10 foi eliminado na terça-feira em Xangai, quando o húngaro Fabian Marozsan, 91.º do mundo, dominou o norueguês Casper Ruud , 9.º do ranking ATP, por 7-6 (7/3), 3-6 e 6-4.
Foi a segunda vitória sobre um membro do Top 10 esta temporada para o jovem de 24 anos, que derrotou o espanhol Carlos Alcaraz, então número 2 do mundo, em Roma, em maio passado.
Na próxima ronda, Fabian Marozsan vai defrontar o vencedor dos oitavos de final entre o polaco Hubert Hurkacz e o chinês Zhang Zhizhen.